(57)【要約】  本発明は、ＳｉＰＭセンサチップに関する。当該ＳｉＰＭセンサチップの場合、少なくとも１つのフォトダイオードと少なくとも１つのクエンチ抵抗と１つの分流器とから成る複数のマイクロセルが、格子状に配置されている。この場合、これらのピクセルの位置が、線形符号化によって特定されていて、方向ｘと方向ｙとに対する分流器の複数の出力部から電圧を取り出す加算回路網が挿入されている。当該電圧は、導線ＮＳ，ｖ，ｍ及びＮＳ，ｈ，ｎを通じて１つの出力チャネルを有する１つの演算増幅器に供給される。  本発明のセンサチップを使用することで、特にＰＥＴの場合に、深さ方向の相互作用位置の問題が最小限にされ得るか又は完全に解決され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのフォトダイオードと少なくとも１つのクエンチ抵抗と複数の前記フォトダイオードの光電流を同じ大きさの２つの電流に分割する１つの分流器とから成る複数のピクセルを有するＳｉＰＭセンサチップであって、
前記複数のピクセルが、格子状に配置されていて、当該格子内では、それぞれのピクセルが、ｘ方向とｙ方向とに沿った列内に１つのｘｙ位置を有し、前記ＳｉＰＭセンサチップが、ｘ方向のＮ列のｘｎ＝ｘ１，ｘ２，ｘ３，…，ｘｎであってｎ＝１，２，…，Ｎと、ｙ方向のＭ列のｙｍ＝ｙ１，ｙ２，ｙ３，…，ｙｍであってｍ＝１，２，…，Ｍとから成り、
ｘが、水平方向ｈに対して符号化し、ｙが、垂直方向ｖに対して符号化する当該ＳｉＰＭセンサチップにおいて、
前記分流器Ｓｑ，ｎｍ又はＳｎｍが、線形に符号化されていて且つ複数の出力チャネルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄにつながっている複数の符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，ｎ又はＲｖ，Ｃ，ｍ及びＲｖ，Ｄ，ｍを有する別の分流器Ｓｈ，ｍ及びＳｖ，ｍにそれぞれ至っている複数の回路網ＮＳ，ｈ，ｎ及びＮＳ，ｖ，ｍにつながっていて、
これらのセンサ特徴が、前記センサチップ内に組み込まれていること、及び
前記複数の回路網ＮＳ，ｈ，ｎ及び／又はＮＳ，ｖ，ｍが、それぞれ１つの加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖに至っていて、前記加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖ内では、前記複数の回路網ＮＳ，ｈ，ｎ及び／又はＮＳ，ｖ，ｍの信号が、複数の加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ，ｍによって加算され、出力チャネルＥ及び／又はＦ内に入力されることを特徴とするＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項２】
前記加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖは、複数の演算増幅器抵抗ＲＳ，ｈ及びＲＳ，ｖによって負帰還されているそれぞれ１つの演算増幅器ＯＰｈ又はＯＰｖを有することを特徴とする請求項１に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項３】
前記複数の加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ，ｍは、前記ＳｉＰＭセンサチップ内に組み込まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項４】
前記加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖは、前記ＳｉＰＭセンサチップ内に組み込まれていることを特徴とする請求項３に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項５】
１つのピクセルが、２つのクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｈ及びＲｑ，ｎｍ，ｖから成る１つの分流器Ｓｑ，ｎｍ有する１つのフォトダイオードＤｎｍから構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項６】
１つのピクセルが、ｋ＝１，２，３，…Ｋのときに、それぞれ固有のクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｋを有する少なくとも１つのフォトダイオードＤｎｍ，ｋと、抵抗Ｒｎｍ，ｖ及びＲｎｍ，ｈから成る１つの分流器Ｓｎｍに至っている１つの回路網ＮＩ，ｎｍとから構成されていること特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項７】
前記ＳｉＰＭセンサチップは、請求項５と請求項６とに記載の複数のピクセルを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項８】
ｘ方向を符号化し前記複数の出力チャネルＡ及びＢに接続されている前記複数の符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，ｎの複数の符号化抵抗値が、正反対に線形に増大し減少するように符号化されていて、ｙ方向を符号化し前記複数の出力チャネルＣ及びＤに接続されている前記複数の符号化抵抗Ｒｖ，Ｃ，ｍ及びＲｖ，Ｄ，ｍの複数の符号化抵抗値が、正反対に線形に増大し減少するように符号化されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項９】
前記複数の回路網ＮＳ，ｈ，ｎ及び／又はＮＳ，ｖ，ｍに対する電位が、二次符号化されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項１０】
前記複数のピクセルは、ｘ方向に列状に配置されていて、且つｙ方向に列状に配置されていて、１つの菱形パターンが得られるように、前記列ｘと前記列ｙとが、９０°未満の角度を成して互いに傾斜していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項１１】
複数のセンサチップが、１つのブロックａ×ｂに対して格子状に配置されていて、線形位置符号化と電位の二次符号化とが、センサに波及するように複数のセンサチップにわたって方向ａと方向ｂとに延在することを特徴とする請求項９〜１０のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【請求項１２】
前記センサチップは、請求項１〜１０のぞれぞれにしたがって構成されているブロックｊ＝１，…Ｊである複数のＪブロックを有し、前記センサチップは、それぞれのブロックｊに対して固有の出力チャネルＡｊ、Ｂｊ、Ｃｊ及びＤｊ並びにＥｊ及び／又はＦｊを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のＳｉＰＭセンサチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ポジトロン断層法の検出器リングに適するセンサチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポジトロン断層法の検出器リングが、β＋β−消滅放射線を検出するために従来の技術にしたがって使用される。当該リングは、複数のセンサに隣接するシンチレーション結晶から構成される。このため、これらのセンサは、当該消滅放射線を検出することができる。典型的な検出器は、ＳｉＰＭ（シリコン光電子増倍管）である。当該構造は、その検出器リングが一般に円形であるように構成されている。この場合、測定すべき対象物、例えば患者又は動物の体の一部が、検出器リング（ＰＥＴリング）の中心に置かれる。検出されなければならないβ＋β−消滅放射線が、放射性診断を使用することによって生成される。以下では消滅放射線とも呼ばれる当該β＋β−消滅放射線は、検査すべき対象物の周りにリング状に配置されていて、シンチレーション放射線を生成するシンチレーション結晶上に当たる。一方で、当該シンチレーション放射線は、放射線源に対して同心配置で当該シンチレーション結晶の後方に存在するＳｉＰＭによって記録される。しかしながら、当該ＳｉＰＭは、当該シンチレーション結晶の別の側、例えば当該シンチレーション結晶の前方又は当該シンチレーション結晶の横に配置されてもよい。当該シンチレーション結晶は、３次元の物体である。当該検査すべき対象物が、当該検出器リングの中心から消滅放射線を放射する配置に対して、当該消滅放射線が当該シンチレーション結晶上に当たる横断面が、ｘｙ座標軸を形成する。当該シンチレーション結晶の深さが、この専門用語においてはｚ座標軸と呼ばれる。理想的な実施の形態では、５１１ｋｅＶのエネルギーを放射するための検査すべき対象物又は放射源が、当該検出器リングの中心に存在する。当該放射線は、理想的には当該シンチレーション結晶のｘｙ平面上に垂直に当たり、当該シンチレーション結晶のｚ座標軸に沿った侵入深さを有する。このとき、当該５１１ｋｅＶの消滅放射線が、ｚ座標軸に沿った当該シンチレーション結晶の１つの点でシンチレーションを引き起こす。当該シンチレーションは、信号としてセンサ、例えばＳｉＰＭによって記録される。さらに、ＳｉＰＭは、個々の光子を検出するのに適している。必要な最小光が、能動センサ面上に当たると、ＳｉＰＭマイクロセルのダイオードが導通する。当該導通は、当該素子の出力部で測定され得る電流パルスを発生させる。いわゆるクエンチ抵抗は、当該セルが臨界電流を発生させることを回避する。当該臨界電流は、当該素子が破壊される程度に高くなる。１つのＳｉＰＭマイクロセルの出力電流は、当該センサに到達し、導通工程を開始させた光の量に依存しない。１つのＳｉＰＭマイクロセルは、光が入射するか否かを検出する１つの２進センサである。入射光に関する定量情報を得るため、１つのＳｉＰＭが、複数のマイクロセルから成る。この場合、１つのマイクロセルが、１つのフォトダイオードと１つのクエンチ抵抗とから成る。このとき、導通した当該複数のセルの数が、入射光量に関する情報を示す。
【０００３】
シンチレーション結晶の感度と、このシンチレーション結晶のｚ座標軸に沿った長さとの間に、相関が存在する。シンチレーション結晶が、より深く設計されている程、当該結晶の感度はより高い。何故なら、シンチレーションが、一層頻繁に発生するようになるからである。消滅放射線の検出時に、当該消滅放射線が放射される点から、複数の放射線が、２つの反対方向に放射する。その結果、これらの放射線が、１８０°の角度を成す。これらの放射線によって形成される線は、同時計数線（ＬＯＲ）と呼ばれる。これに応じて、リング型検出器の場合に、２つの放射線が、当該ＬＯＲに沿って、対向する複数の側に存在するシンチレーション結晶−放射源が、当該シンチレーション結晶のリング状の配置の中心に存在する−上に当たる。
【０００４】
当該シンチレーション結晶の片側だけでＳｉＰＭとしてのフォトダイオードによる光検出器を用いた検出に関しては、既存の様々な方法が、１つのイベントのｘ位置及びｙ位置を特定するために存在する。しかしながら、これらの方法は、ｚ位置を必要とせず、したがって、ガンマ光子がｚ座標軸上で停止され、光に変換された当該シンチレーション結晶中の正確な位置が特定されない。当該ｚ位置が特定されないと、当該ＬＯＲの特定時に、いわゆる深さ方向の相互作用位置の問題（ＤＯＩ問題）に起因する視差誤差が生じる。消滅放射線を放射する点が、リング型検出器の中心に正確に存在しないときに、当該ＤＯＩ問題が常に起こる。１つのＬＯＲに対する放射中心が、１つのＰＥＴリングの中心の外側により遠くに存在する程、当該問題は、より大きくなる。このため、ＰＥＴリングを設計する場合、より長いシンチレーション結晶による感度の向上とより短いシンチレーション結晶によるＤＯＩ誤差の消滅との間で、妥協することになる。ＰＥＴを使用する幾つかの分野では、被検体に近接するＰＥＴリングを使用することが必要である。当該分野は、特に、患者がＭＲＴ法とＰＥＴ法とによって同時に検査されなければならない医療の分野である。このとき、当該ＰＥＴリングが、ＭＲＴのスキャナチューブの開口部内を通過する必要がある。したがって、使用されるＰＥＴリングが、ＭＲＴリングの開口部内を通過するように、当該ＰＥＴリングの直径が、小さく設計される必要がある。しかしながら、ＰＥＴリングの寸法が小さい場合、検査すべき対象物、例えば小動物又は人の体の一部は、確かに中心に配置され得るものの、当該ＰＥＴリングの直径が当該ＰＥＴリングの開口部の周縁領域に達する程の当該ＰＥＴリングの直径の地点で測定されるように設計されているという問題がある。したがって、当該ＤＯＩ問題が顕著になる程度に、消滅放射線を放射する点も、当該ＰＥＴリングに近接して位置決めされている。
【０００５】
近年では、特に小動物用のＰＥＴスキャナの分解能が、常により小さいピクセルサイズを有するピクセル化された複数のシンチレーション結晶ブロックを使用することによって著しく改良された。この場合、当該ピクセル化は、ｘｙ平面上で実現されている。当該シンチレーション結晶においては、ｚ方向に整列されている複数のピクセルから成る複数のチューブが開発されている。これは、特に常により高い場所分解能を要求される小動物用のＰＥＴスキャナで必要とされた。何故なら、検査される対象物が、非常に小さいからである。現在では、当該ピクセルサイズは、既にサブミリメートルの範囲に達する。それ故に、解決されなければならない２つの問題が顕著に現れる。第一に、ピクセル化されたブロックを形成するため、当該ピクセル化された複数の結晶ブロックは、個々のシンチレーション結晶間に存在する接着剤と反射膜とを必要とする。接着剤と反射膜とから成る当該層は、約７０μｍの厚さを有する。したがって、非常に狭いピクセル間隔を成すピクセルアレイの感度損失が増大する。例えば非特許文献１で使用されるような、０．８ｃｍ×０．８ｃｍ寸法の結晶ピクセルを成すアレイの場合には、シンチレーション結晶に対する接着剤及び反射膜の比が著しく減少する。その結果、接着剤及び反射膜が、既に２９％の割合を占める。当該シンチレーション結晶の割合は、理論通りに７１％に減少する。その他の２９％の体積中では、ガンマ量子が、妨害されず光に変換され得ない。例えば０．５ｃｍ×０．５ｃｍのさらにより小さいピクセルアレイが使用される場合、しかも、当該結晶の割合が、５９％に減少する。それ故に、ピクセルアレイによる分解能の向上が、感度の損失に常に結びつく。ピクセル化されたシンチレーション結晶アレイによる第２の問題は、放射光が、ＳｉＰＭの検出面のより小さい領域上に集中される点である。１つのＳｉＰＭは、２進素子として機能する複数のマイクロセルから成る。これらのマイクロセルは、光を検出したか否かを検出する。光が検出されると、そのマイクロセルが導通する。当該導通したマイクロセルの数は、どれくらいの光が当該検出面に到達したかを定量的に示す。２つ以上の光量子が、１つのマイクロセルを起動させるときに、その出力信号は等しいままである。より多い光が、１つのＳｉＰＭに当たる程、２つ以上の光量子が、このＳｉＰＭの同じマイクロセル上に当たる確率がより高い。このとき、これらの追加の光量子は検出され得ない。その結果として、ピクセル化された複数のシンチレーション結晶アレイが使用されるときに、１つのマイクロセルの飽和の確率が、著しくより高い。何故なら、これらのシンチレーション結晶アレイは、当該センサの小さい領域上に光をより強く集中させるからである。また、飽和効果が、当該検出器のエネルギー分解能を低下させる。
【０００６】
磁気共鳴画像適合性（ＭＲＩ適合性）をＭＲ／ＰＥＴハイブリッドスキャナにおける使用に対して可能にするため、上述したように、従来の技術の検出器は、ＳｉＰＭに基づくセンサ技術を使用する。ハイブリッドスキャナによる別の問題は、ＰＥＴ検出器と付随する電子機器とのためのスペースが磁気共鳴画像装置（ＭＲＴ）の管直径によって制限される点である。当該制限は、特に超高磁場の撮影装置に対して発生する。より狭い管直径の結果として、ＰＥＴシンチレーション結晶は、可能な限り短くする必要がある。同様に、より短いシンチレーション結晶は、その感度を低下させる。このことは、当該管直径の条件によってはＰＥＴリングが検査対象物のより近くに存在することを意味する。視差誤差が大きい程、消滅、すなわち発生するＬＯＲが、ＰＥＴリングのより近くで起こる。何故なら、当該消滅が、ＰＥＴリングの近くで起こるときに、ガンマ量子が、当該シンチレーション結晶中にもはや垂直に入射しないからである。その結果、ＰＥＴリングの設計では、ＰＥＴリングが、検査すべき対象物の近くに存在するときに、視差誤差が増大し、より強くなる。何故なら、この場合には、消滅も、ＰＥＴリングの近くで起き得るからである。ハイブリッド装置による制約に関係なく、より高い感度とより少ないコストとの理由から、ＰＥＴリングを可能な限り狭く設計することが試みられている。
【０００７】
さらに、ＰＥＴリングの電力消費が、当該出力チャネルを増やすことによって増大するので、多くのＳｉＰＭセンサの技術思想には、出力チャネルの符号化が含まれることが知られている。しかしながら、当該出力チャネルの符号化は、構造に起因して制限される。簡単な計算が、当該出力チャネルの符号化の構造に起因する制限を明らかにする。８ｃｍの直径で且つ１０ｃｍの長さを成すＰＥＴリングでは、検出器の表面積が、２５１ｃｍ２になる。複数のシンチレーション結晶の一対一の結合と、０．８ｍｍの結晶ピクセルサイズを有するＳｉＰＭとが使用される場合、それぞれのチャンバが、個別に読み取られるときに、既に３９２７０個の出力チャネルが必要になる。
【０００８】
より高い場所分解能を得るため、実際のセンサ仕様は、より狭いピクセルサイズを有する複数のセンサチップから成る。その結果、電力消費、スペース及びデータ速度によって限定される出力チャネルが著しく増大する。その結果として、位置検出（ＰＳ）型の符号化方法が、１つのチップの出力チャネルの数を減少させるために開発された［１−３、１５］。実際に開発された技術思想は、ＰＳ−ＳＳＰＭ［１］と呼ばれ、電荷を分割する位置検出型シリコン光電子増倍管（ＰＳ−ＳｉＰＭ）に基づく。電荷を分割するＰＳ−ＳｉＰＭマイクロセルは、従来のＳｉＰＭマイクロセルのように光を検出する。しかしながら、このセンサ仕様は、発生した電荷をその位置とその符号化とに依存して分割する抵抗回路網を含む。［１］に記載された検出器の構造は、０．８ｍｍの間隔を有するピクセル化された結晶アレイから成る。
【０００９】
この実際の検出器の仕様は、１ミリメートル未満の間隔を有するピクセル化されたシンチレーション結晶アレイを使用することによって達成される検出器アレイの高い分解能と同時に、チャネルの符号化による出力チャネルの減少の利点を可能にする。しかしながら、当該実際の検出器の仕様は、ＤＯＩ情報を検出しない。［４］において公表された技術思想は、１つのＰＥＴ検出器を複数の単結晶と複数のＳｉＰＭとから構成する可能性を示すものである。既に先に説明したように、単結晶が、反射膜と付随する接着剤との必要スペースによる感度損失の問題を解決する。さらに、これにより、単結晶の生産コストがより減少する。当該使用される結晶の厚さは、２ｍｍである。これにより、視差誤差が、［４］で使用される構造によって回避される。しかしながら、当該視差誤差の回避は、シンチレーション結晶のｚ方向の短い寸法によって得られるものである。しかしながら、同時に、その検出効率は、当該低い結晶高さによって低い。
【００１０】
ＤＯＩ情報を測定し、当該測定によって視差誤差を補正する様々な可能性が存在する。さらに、当該可能性は、別の結晶面で光を検出する。このため、特に従来の技術によるＳｉＰＭに対しては、コストが非常に増大する。１つの結晶面だけで光を検出し、このときに単結晶を使用するＤＯＩを検出するため技術思想は、［５］において公表されていて、［６］において特許が取得されている。結晶の光分布がＤＯＩに依存するという既知の原理が使用される。使用される検出器の仕様では、単結晶が、浜松の位置検出型光電子増倍管（ＰＭＴ）Ｈ８５００に接続されている。さらに、位置符号化を可能にし、当該位置符号化によって出力チャネルの減少も可能にする抵抗回路網が使用される。この場合、光分布の標準偏差が、ＤＯＩを評価するために使用される。当該光分布の１次及び２次のモーメントが、当該標準偏差を計算するために必要とされる。当該１次のモーメントは、出力チャネルの線形符号化によって既に与えられている。加算回路網が、当該２次のモーメントを算定するために開発され、当該抵抗回路網に組み込まれた。
【００１１】
ＤＯＩを検出するＰＥＴ検出器の概要が、［７］において要約されている。近年に開発された小動物用のＰＥＴ及びＭＲ／ＰＥＴハイブリッドスキャナの開発成果が、［８−１１］において記載されている。
【００１２】
実際のＳｉＰＭに基づく技術を必要とし、チャネルの減少のための位置符号化を含む検出器の仕様は、ＤＯＩを検出しない。それ故に、当該検出器によって構成されているＰＥＴリングは、再生中に視差誤差を含む。さらに、当該検出器は、ピクセル化された結晶アレイを使用する。上述したように、この結晶アレイは、このアレイの複数の結晶間の反射膜及び接着剤に起因する感度の損失を引き起こす。当該ＤＯＩ情報がないので、当該結晶の厚さが制限される。より厚い結晶による感度の向上は、ＤＯＩ情報を有しないことによる場所分解能の損失を伴う。［７］において言及されたピクセル化された結晶のためのＤＯＩの技術思想は、任意の小さい結晶では使用され得ず、０．８ｍｍ又は０．５ｍｍの結晶サイズを有する結晶アレイに対して機能し得ない。ＤＯＩを検出しない場合の主問題は、ＰＥＴリングの寸法が制限され、より狭いリングが場所分解能を低下させたことである。
【００１３】
［４］において説明されている検出器は、単結晶によって実現されている。近接するリングが、感度を向上させるために提唱された。同時に、単結晶が使用された。シンチレーション結晶と検査対象物との間の距離が短くなるので、ＤＯＩ問題が増大する。それ故に、当該リングの開発者は、結晶の厚さを２ｍｍに制限している。他方では、その結果、得られる感度が、当該狭いリングと、短い厚さのシンチレーション結晶から成る単結晶の使用とによって消失する。しかしながら、この研究は、高い分解能が単結晶によって可能であることを証明している。
【００１４】
複数のセンサが、２つの結晶面に取り付けられることで、ＤＯＩ位置が、ＳｉＰＭに基づく検出器によって算定され得る。これらのセンサは、２倍のＳｉＰＭセンサ面を必要とする。実際には、ＳｉＰＭセンサは、１つのＰＥＴリングの最も高価な構成要素のうちの１つの構成要素である。
【００１５】
現時点では、ＤＯＩ情報を測定する方法は、１つの単結晶の１つの結晶面だけで複数のＳｉＰＭを使用することでは依然として実現されていない。［５、６］において実現されている技術思想は、強い磁場中で使用され得ない位置検出型ＰＭＴを使用する。このため、当該位置検出型ＰＭＴは、ＭＲＴと両立しない。当該技術思想は、ＭＲＴと両立するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）によって実現され得る。当該技術思想は、今日まで依然として具体化されていない。ＡＰＤは、アバランシェ効果を奏するフォトダイオードである。光によって発生した光電子が、当該ＡＰＤで加速され、多数の電子が活性化する。ＰＭＴの場合のように、当該発生する光電流は、光の強さに依存する。それにもかかわらず、この技術思想をＳｉＰＭマイクロセル面で実現することは、別の挑戦である。何故なら、ＳｉＰＭマイクロセルは、２進センサであり、別のモード、いわゆるガイガーモードで作動されるからである。
【００１６】
動物用の３次元ＰＥＴスキャナが、Ｊｕｄｅｎｈｏｆｅｒ等［８］によって７テスラ（Ｔ）の動物用のスキャナ内に組み込まれた。当該３次元ＰＥＴスキャナは、複数のＡＰＤから構成されている。これらのＡＰＤは、４．５ｍｍの厚さを有するシンチレーション結晶を使用し、１．６ｍｍの間隔で離間する１４４個の結晶を有する結晶アレイから成る。この結晶アレイは、３×３の大きさのＡＰＤアレイに結合されている。軸方向の視野（ＦＯＶ）は、１９ｍｍである。開発されたこのシステムは、特に組み込まれたシステムに対して、そのスペースが非常に限定されていることを示す。このシステムは、結晶の厚さと軸方向のＦＯＶとの間で妥協点を見つける。その結果、当該システムの感度が、０．２３％と低い。さらに、ここでも、ＤＯＩ問題が、結晶の厚さを制限する。
【００１７】
ＭＡＤＰＥＴの名称の下で公表された試作品のスキャナの最初のバージョンが、ミュンヘンで開発された［９］。当該スキャナは、３．７ｍｍ×３．７ｍｍ×１２ｍｍの結晶に直接に結合された複数のＡＰＤによって実現されている。この試作品のスキャナは、一対一の結合の使用時に出力チャネルの増大の問題を呈する。当該最初のスキャナでは、全てのチャネルを同時に読み取ることは不可能である。低い感度が、当該スキャナの問題である。当該スキャナの第２のバージョンのＭＡＤＰＥＴ  ＩＩでは、この問題が解決され、全てのＡＰＤの読み取りが可能である［１４］。当該第２のバージョンも、複数の結晶間に存在する複数のＡＰＤを有するこれらの結晶から成る２つの層を成す２層の読み取りシステムを備える。したがって、これらの結晶が分割されているので、ＤＯＩ問題も、影響を及ぼし得る。また、２倍の広さのセンサ面も必要とされ、したがって出力チャネルが新たに増大する。さらに、より高いコストが、ほぼ２倍のセンサ数によって発生する。
【００１８】
位置検出型ＰＭＴによってＤＯＩを検出する可能性が、［１０、１１］において実証された。
【００１９】
複数のＳｉＰＭと複数の単結晶とから成る複数の検出器による研究成果が、［１２］において発表されている。この試みでは、ＰＭＴ及びＡＰＤに対する最初の技術思想が、［５、６］において公表されたのと同じ方式で、複数のＳｉＰＭが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】米国特許第７４７６８６４号明細書
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】Ｇｏｌａ，  Ａ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ：  Ｆｉｒｓｔ  Ｒｅｓｕｌｔｓ”
【非特許文献２】Ｓｃｈｕｌｚ，  Ｖ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｅｎｃｏｄｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ-  ａ  ｎｅｗ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ＰＥＴ−ＭＲＩ．”  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｉｎ  ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ａｎｄ  ｂｉｏｌｏｇｙ  ５８．１４  （２０１３）：  ４７３３
【非特許文献３】Ｆｉｓｃｈｅｒ，  Ｐ．，  Ｐｉｅｍｏｎｔｅ，  Ｃ，  “Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎｇ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ”，  ＮＩＭＰＲＡ，  Ｎｏｖ．  ２０１２
【非特許文献４】Ｅｓｐａｎａ，  Ｓ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “ＤｉｇｉＰＥＴ：  ｓｕｂ−ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  ｓｐａｔｉａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｓｍａｌｌ−ａｎｉｍａｌ  ＰＥＴ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｉｎ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒｓ”
【非特許文献５】Ｌｅｒｃｈｅ，  Ｃｈ．  Ｗ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  γ−ｒａｙ  ｉｍａｇｉｎｇ”
【非特許文献６】Ｉｔｏ，  Ｍ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  （ＰＥＴ）  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｔｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｐｔｈ−ｏｆ−Ｉｎｔｅｒｃａｔｉｏｎ  （ＤＯＩ）  Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ”
【非特許文献７】Ｊｕｄｅｎｈｏｆｅｒ，  Ｍ．  Ｓ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ＰＥＴ−ＭＲＩ：  ａ  ｎｅｗ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ”
【非特許文献８】Ｚｉｅｇｌｅｒ，  Ｓ．  Ｉ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａ  ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ  ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎｉｍａｌ  ｐｏｓｉｔｒｏｎ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈ  ｗｉｔｈ  ａｖａ−  ｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  ＬＳＯ  ｃｒｙｓｔａｌｓ”
【非特許文献９】Ｂａｌｃｅｒｚｙｋ，  Ｍ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｓｍａｌｌ  ａｎｉｍａｌ  ＰＥＴ  Ｓｃａｎｎｅｒ  ｗｉｔｈ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ａｎｄ  ｄｅｐｔｈ−ｏｆ−ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｅｎｃｏｄｉｎｇ”
【非特許文献１０】Ｂａｌｃｅｒｚｙｋ，  Ｍ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｉｎｉｔｉａｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ａｌｂｉｒａ  ｓｍａｌｌ  ａｎｉｍａｌ  ｐｏｓｉｔｒｏｎ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  Ｓｃａｎｎｅｒ  ｗｉｔｈ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌｓ  ａｎｄ  ｄｅｐｔｈ−ｏｆ−  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  ｅｎｃｏｄｉｎｇ  ｆｒｏｍ  ａ  ｕｓｅｒ’ｓ  ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ”
【非特許文献１１】Ｇｏｎｚａｌｅｚ  Ｍａｒｔｉｎｅｚ，  Ａ．  Ｊ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  ＰＥＴ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｃｏｎｃｅｐｔ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ＳｉＰＭｓ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃｒｙｓｔａｌｓ”
【非特許文献１２】Ｓｉｅｇｅｌ，  Ｓ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｉｍｐｌｅ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｒｅａｄｏｕｔｓ  ｆｏｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ  Ａｒｒａｙｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ  ＰＭＴ”
【非特許文献１３】ＭｃＥｌｒｏｙ，  Ｄ．  Ｐ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｆｉｒｓｔ  Ｒｅｓｕｌｔｓ  Ｆｒｏｍ  ＭＡＤＰＥＴ−ＩＩ：  Ａ  Ｎｏｖｅｌ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ａｎｄ  Ｒｅａｄｏｕｔ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｓｍａｌｌ  Ａｎｉｍａｌ  ＰＥＴ”
【非特許文献１４】Ｂｅｒｎｅｋｉｎｇ，  Ａ．，  “Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｅｎｃｏｄｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  ＰＥＴ／ＭＲ  Ｉｍａｇｉｎｇ”，  Ｄｉｐｌｏｍａ  ｔｈｅｓｉｓ，  ＲＷＴＨ  Ａａｃｈｅｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，  ３．１２．２０１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の課題は、上記の従来の技術の欠点を克服するセンサチップを提供することにある。ＬＯＲの特定時の視差誤差が、当該センサチップによって減少され得る。信号を検出するためのシンチレーション単結晶の使用をポジトロン断層法で可能にするセンサチップが提供されなければならない。この場合、ＬＯＲの特定時の視差誤差が減少されることによって、ＤＯＩ問題が回避され得る。当該センサチップの感度及び分解能が改良されなければならない。さらに、当該センサチップは、ＭＲＴと一緒に特に高い磁場の場合に作動されるのに適していなければならない。小さく設計されたＰＥＴリングの精度又は検査対象物に近接するＰＥＴリングの場合の精度が改良されなければならない。測定装置に付随する電子機器に起因する必要スペースが減少されなければならない。当該設備のためのコストが減少されなければならない。当該センサチップは、その使用中にＰＥＴにおける使用に限定されなければならないのではなくて、シンチレーション単結晶に対して全体的に使用され得るようにしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明によれば、請求項１の上位概念から出発して、この課題は、請求項１の特徴部分によって示されている特徴によって解決される。
【００２４】
上記の課題が解決される。
【００２５】
したがって、ＬＯＲの特定時、特にシンチレーション単結晶の場合の視差誤差を減少させることが、本発明のセンサチップによって可能である。測定方法及び設備の感度及び分解能が改良される。ｚ方向により長いシンチレーション単結晶の使用が可能にならなければならない。検出器が、ＭＲＴ装置と一緒に作動され得る。特に小さい寸法を成す装置の場合又はリングが検査対象物に近接するときに、視差誤差が減少する。付随する電子機器のためのスペースとコストとが節減される。本発明のセンサチップは、非常に高い粒度を達成する。すなわち、これにより、光分布関数の走査の回数が著しく増大する。何故なら、マイクロセル面に対する走査も可能であるからである。これにより、当該粒度が、下記の実装方法に依存して１６０まで達し得る係数だけ増大するか、又は従来のＳｉＰＭ、フォトマルチプライヤ若しくはアバランシェダイオードに比べてより高く達し得る係数だけ増大する。その結果、２次のモーメントが、より正確に算定される。
【００２６】
以下に、本発明に共通の構成を限定して解釈することなしに説明する。
【００２７】
ＰＥＴ測定のための検出器の仕様が提供される。当該検出器の仕様の場合、それぞれの検出器が、１つのシンチレーション単結晶と、そのシンチレーション結晶の１つの面に位置決めされている少なくとも１つのセンサチップとを有する。特に、当該センサチップは、検出器リングの中心に面しない当該シンチレーション単結晶のｘｙ平面上に、特に好ましくは当該シンチレーション単結晶の１つの面上に取り付けられている。別の実施の形態では、センサチップが、ｘｙ平面上に存在しない、例えばｘｚ面又はｙｚ面上に存在するシンチレーション単結晶の１つの面に取り付けられ得る。しかしながら、当該別の実施の形態には、スキャナの感度損失が、当該ｘｚ面又はｙｚ面上に取り付けられているセンサチップに対して発生するという欠点がある。当該センサが、当該中心に面する側に存在する場合、追加のコンプトン効果が発生する。
【００２８】
複数のシンチレーション単結晶が、１つのセンサチップに結合されてもよい。
【００２９】
シンチレーション単結晶の使用には、当該単結晶の感度が、ピクセル化された複数のシンチレーション結晶に比べて最大にされ得るという利点がある。ピクセル化された複数のシンチレーション結晶の場合、これらのシンチレーション結晶の効率が著しく減少し、例えば、１つのピクセル結晶アレイの０．８ｍｍ×０．８ｍｍ又は０．５ｍｍ×０．５ｍｍの結晶ピクセルサイズの場合は、７１％又は５９％だけまで減少する。
【００３０】
当該シンチレーション単結晶は、限定されないものの、例えばＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＢＧＯ、ＧＳＯ、ＢａＦ２又はＮａＩ：ＴＩ（タリウムをドープしたヨウ化ナトリウム）から成り得る。当該材料は、当業者に既知である。
【００３１】
ｘｙに対して正方形の横断面の場合、シンチレーション単結晶のｘ方向の寸法に対する当該シンチレーション単結晶のｚ成分の比が１以下であると、良好な結果が得られる。最良の結果は、０．２５の比の場合に得られる。場合によっては、当該比は、より小さくてもよい。このときに達成されるシンチレーション単結晶の長さは、例えばＰＥＴリングの直径又は大きい単結晶に関連するコストのような実情によってより安易に決定されている。当該シンチレーション単結晶のｚ方向の寸法は、達成されなければならない希望する感度によって決まる。当該シンチレーション単結晶のｚ方向の大きい寸法が得られると、結果として、ＤＯＩ誤差を最小にする寸法を可能にする、以下で説明する本発明のセンサチップの構成が得られる。
【００３２】
本発明によれば、当該センサチップは、１つのＳｉＰＭであり、複数のＳｉＰＭマイクロセルから成る。
【００３３】
１つのセンサチップ又はより大きい１つのセンサチップに統合される小さい複数のセンサチップが、１つのシンチレーション単結晶に取り付けられ得る。当該センサチップは、当該シンチレーション単結晶上に接着され得る。複数の小さいセンサチップが、統合されている場合には、本発明の意味においては、これらのセンサチップが、シンチレーション単結の１つの面上に取り付けられているならば、単一のセンサチップとみなされる。このために使用される接着剤は、光透過性でなければならない。さらに、光強度を集光する必要がある場合には、分光器の層が、シンチレーション単結晶とセンサチップとの間に存在してもよい。
【００３４】
１つよりも多いセンサチップが、当該単結晶に取り付けられている配置も可能である。例えば、センサチップとシンチレーション単結晶とが交互するｚ座標軸に沿った積層体が存在してもよい。特に、光分布が所定の結晶領域内で強く識別され得ないシンチレーション単結晶が使用される場合に、当該積層体は有効であり、当該シンチレーション単結晶を、それぞれ１つのセンサを有する複数の層に分割することが有効である。別の実施の形態では、複数のセンサチップが、シンチレーション単結晶のｘｙ平面上に存在しない当該シンチレーション単結晶の面に取り付けられてもよい。１つ、２つ又は複数、例えば３つのセンサチップが、異なる複数の面上に配置されてもよい。この場合、複数のセンサチップが、シンチレーション単結晶の対向する２つの面上、又はｘｚ方向若しくはｙｚ方向に存在するシンチレーション単結晶の隣接している複数の面上に配置されてもよい。任意の部分的組み合わせ（サブコンビネーション）が考えられる。したがって、複数のセンサチップが、対向する複数の面上に取り付けられているバリエーションには、測定信号が受信されるときに、精度が向上されるという利点がある。しかしながら、本発明の方法及び設備の構成によれば、当該信号が、シンチレーション単結晶の１つの面で読み取られるだけで済むという利点がある。これは、ただ１つのセンサチップを有する実施の形態にも成立する。したがって、当該本発明の方法及び設備は、低コストにもなる。
【００３５】
本発明によれば、当該センサチップは、ただ１つのｘｙ位置がそれぞれのピクセルに割り当てられることを特徴とする複数のピクセルから成る。１つのピクセルが、少なくとも１つのフォトダイオードと、複数のクエンチ抵抗と、当該ダイオードで生成された光電流を等しい大きさの２成分に分割する１つの分流器とから成る。クエンチ抵抗の代わりに、当該クエンチ工程は、当業者に既知の方法を用いて、例えばトランジスタを使用して、アクティブクエンチによって起動されてもよい。以下の説明では、クエンチ抵抗Ｒｑを開示された実施の形態において記載する。しかしながら、当該クエンチと同等な別の手段、例えばトランジスタも、全ての実施の形態で使用され得る。したがって、当該開示は、クエンチ抵抗の使用に限定されない。
【００３６】
当該複数のピクセルは、格子状に配置されている。当該配置の場合、これらのピクセルは、ｘ方向とｙ方向とに列状に配置されている。したがって、これらのピクセルは、列状に又は行列状に、特にｘ軸とｙ軸とに対して平行に配置されている。通常は、１０，１００個又は１０００個のピクセルが、ｘ方向とｙ方向とのそれぞれに配置されている。このとき、当該配列は、ｘ方向のＮ列のｘｎ＝ｘ１，ｘ２，ｘ３，…，ｘｎ、このときｎ＝１，２，…，Ｎと、ｙ方向のＭ列のｙｍ＝ｙ１，ｙ２，ｙ３，…，ｙｍ、このときｍ＝１，２，…，Ｍとから成る。当該方向ｘ及びｙは、特に互いに直交して配置されているものの、菱形パターンが発生するように、当該配列は、９０°とは異なる角度を成して配置されてもよい。この配列は、１つのブロックを構成する。１つのセンサチップが、格子状に配置されている複数のブロックを有し得る。
【００３７】
１つの実施の形態では、１つのピクセルが、一緒に１つの分流器を構成する２つのクエンチ抵抗を有する１つのフォトダイオードから成るただ１つのＳｉＰＭマイクロセルから成る。用語ＳｉＰＭマイクロセルは、以下ではマイクロセルと呼ばれる。この配列は、非常に高い粒度を引き起こす。１００×１００又は１０００×１０００のマイクロセルを個々のＳｉＰＭごとに配列することによって、そのマイクロセル領域内への組み込み時に、２次のモーメントが、光分布の１００個若しくは２００個又は１０００〜２０００個の走査点から算出される。通常のＰＳ−ＰＭＴ又は複数のＳｉＰＭから成るアレイは、それぞれの場所方向ごとに１０〜２０の粒度を有する。当該新しいセンサチップを使用することで、光分布関数の走査の回数が、チップを実装しないＳｉＰＭ又はフォトマルチプライヤ若しくはアバランシェダイオードに比べて５以上の係数だけ増大する。その結果、２次のモーメントが、本発明のセンサチップによってより良好に算定される。何故なら、それぞれのマイクロセルが、固有の位置符号化を有し、評価に割り当てられる１つの信号を生成するからである。このとき、この格子内の１つのマイクロセルの位置が、ｘｙ平面上でｘｎｙｍによって示されている。何故なら、それぞれのピクセルが、１つのマイクロセルだけを有するからである。
【００３８】
これらの位置のそれぞれの位置には、フォトダイオードＤｎｍから成る１つのマイクロセルが存在する。当該フォトダイオードＤｎｍは、２つのクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｈ及びＲｑ，ｎｍ，ｖを有する１つの分流器Ｓｑ，ｎｍが後続接続されている１つの出力回路網ＮＤ，ｎｍを有する。これらのクエンチ抵抗の場合、添え字ｖは、ｙ方向を示し、添え字ｈは、ｘ方向を示す。この場合、当該フォトダイオードは、１つの供給電圧Ｖｒｅｆに接続されている。これらのクエンチ抵抗は、同じ大きさであり、１メガオームと１００メガオームとの範囲内に存在する。供給電圧Ｖｒｅｆは、製造技術に応じて−２０ボルトと−４０ボルトとの間に存在する。符号Ｄｎｍ、Ｒｑ，ｎｍ，ｈ又はＲｑ，ｎｍ，ｖにおいて、ｎは、ｘ軸に沿った当該フォトダイオードとクエンチ抵抗との位置を示し、ｍは、ｙ軸に沿った当該位置を示す。ＮＤ，ｎｍは、当該フォトダイオードと当該フォトダイオードに後続接続されている分流器Ｓｑ，ｎｍとの接続線を示す。
【００３９】
クエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｈ及びＲｑ，ｎｍ，ｖに接続されている回路網ＮＳ，ｖ，ｍ及びＮＳ，ｈ，ｎが、別の分流器Ｓｈ，ｎ及びＳｖ，ｍにつながっている。これらの回路網の場合、添え字ｖは、ｙ方向を示し、また添え字ｈは、ｘ方向を示す。これらの別の分流器は、出力チャネルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤに至る符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，ｎ又はＲｖ，Ｃ，ｍ及びＲｖ，Ｄ，ｍを有する。ｘ方向のアレイとｙ方向のアレイとに対する連続する複数の座標ｘｎｙｍに応じて、それぞれ１つの座標ｘｙに対する符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，ｎ又はＲｖ，Ｃ，ｍ及びＲｖ，Ｄ，ｍが、異なる符号化抵抗値を有する。それぞれ１つのアレイｘ又はアレイｙに対するこれらの異なる符号化抵抗値は、ｘｙ座標に対する１つの位置符号化を可能にする。したがって、例えば、符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，ｎ又はＲｖ，Ｃ，ｍ及びＲｖ，Ｄ，ｍは、出力チャネルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤにつなげるために、連続する複数の点ｘｎｙ１，ｘｎｙ２，ｘｎｙ３…ｘｎｙＭを有する１つのｘアレイ内と、連続する複数の点ｘ１ｙｍ，ｘ２ｙｍ…ｘｎｙｍを有する１つのｙアレイ内とに連続する複数の値をとる。これは、位置符号化を可能にする。これらの符号化抵抗は、一般に１０Ω〜１ｋΩの範囲内にある抵抗値を有する。検出された光の正確な位置が、起動したマイクロセルによって与えられる。座標ｘｙを有する当該起動したマイクロセルは、式（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）又は（Ｃ−Ｂ）／（Ｃ＋Ｂ）によって算出され得る。当該原理は、Ａｎｇｅｒ論理として既知である。
【００４０】
当該符号化抵抗値が、位置符号化のために線形に符号化される。この場合、ｘ方向に符号化される符号化抵抗が、出力チャネルＡ及びＢに接続されている。増大するように及び減少するように正反対に線形に変化する。これは、チャネルＡが線形に増大して符号化され、チャネルＢが線形に減少して符号化され得るか、又はチャネルＡが線形に減少して符号化され、チャネルＢが線形に増大して符号化され得ることを意味する。同じことが、チャネルＣ及びＤによって符号化されるｙ方向に対して成立する。結果として、それぞれのマイクロセルの生成された光電流が、その位置に依存して複数の出力チャネルにそれぞれ分割される。
【００４１】
符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，１及びＲｈ，Ｂ，ｎ、Ｒｈ，Ａ，２及びＲｈ，Ｂ，ｎ−１、Ｒｈ，Ａ，３及びＲｈ，Ｂ，ｎ−２…Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，１並びにＲｖ，Ｃ，１及びＲｖ，Ｄ，ｎ、Ｒｖ，Ｃ，２及びＲｖ，Ｄ，ｎ−１、Ｒｖ，Ｃ，及びＲｖ，Ｄ，ｎ−２…Ｒｖ，Ｃ，ｎ及びＲｖ，Ｄ，１は、位置符号化に重要な光電流を決定するだけではなくて、同時に、下記の加算回路網に必要な電圧が発生するように、これらの符号化抵抗が、本発明にしたがって選択される。当該電圧は、シンチレーションの位置に関する深さ情報を計算するために必要になる。可能な限り正確な線形符号化を得るため、当該符号化抵抗は、チップ内に可能な限り正確に実装されなければならない。
【００４２】
第２の実施の形態では、１つのピクセルが、それぞれ１つの固有のクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｋを有し、ｋ＝１，２，３，…Ｋである少なくとも１つのフォトダイオードＤｎｍ，ｋと、抵抗Ｒｎｍ，ｖ及びＲｎｍ，ｈから成る１つの分流器Ｓｎｍに至っている１つの回路網ＮＩ，ｎｍとから構成される。これらの抵抗Ｒｎｍ，ｖ及びＲｎｍ，ｈは、同じ大きさであり、１ｋΩ〜１００ｋΩの範囲にある。この場合、Ｋは、一般に１〜１００の範囲内にある。この実施の形態では、１つのマイクロセルが、それぞれ１つの固有のクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｋを有する１つの１つのフォトダイオードＤｎｍ，ｋから成る。クエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｋは、全て同じ大きさであり、１メガオーム〜１００メガオームの範囲内にある。これらのフォトダイオードＤｎｍ，ｋの生成された光電流が、クエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｋと回路網ＮＩ，ｎｍとによって一緒にされる。フォトダイオードＤｎｍ，ｋとクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｋとからそれぞれ構成される、こうして発生する一群の複数のマイクロセルの生成された全ての光電流が、共通の１つの分流器Ｓｎｍに導通される。当該分流器Ｓｎｍは、当該全ての電流を同じ割合でｘ符号化とｙ符号化とに分割する。当該電流は、上述したように別の分流器Ｓｈ，ｎ又はＳｖ，ｍを通じて出力チャネルＡ及びＢ又はＣ及びＤに導通する。
【００４３】
例えば、この一群のマイクロセルでは、１０個のマイクロセルが、それぞれの方向ｘ及びｙごとに統合され得る。当該値は、限定して解釈してはならず、処理技術が許されるならば、むしろ２０個、５０個又は１００個のマイクロセルが統合されてもよい。したがって、ｘ方向又はｙ方向から成る少なくとも２つのマイクロセルからの複数の信号が、統合されたただ１つの信号として転送され得る。この実施の形態には、強い光電流が、ピクセルごとに取得され得るという利点がある。しかしながら、最大の分解能又は粒度を取得するためには、第１の実施の形態が有益である。ピクセルのための当該２つの実施の形態は、１つのセンサチップに実装され得る。
【００４４】
当該両実施の形態のそれぞれのピクセルアレイｘ及び／又はｙに対して、回路網ＮＳ，ｈ，１、ＮＳ，ｈ，２…ＮＳ，ｈ，Ｎ又はＮＳ，ｖ，１、ＮＳ，ｖ，２…ＮＳ，ｖ，Ｍが、加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ，ｍによって取り出され、出力チャネルＥ及びＦを有する加算回路網に導通される。この場合、ｘ方向に対する回路網ＮＳ，ｈ，１、ＮＳ，ｈ，２、…ＮＳ，ｈ，Ｎ若しくはｙ方向に対する回路網ＮＳ，ｖ，１、ＮＳ，ｖ，２、…ＮＳ，ｖ，Ｍが、加算回路網Ｏｈ若しくはＯｖに接続されている実施の形態、又は、特に、加算回路網Ｏｈ若しくはＯｖ内のｘ方向に対する回路網ＮＳ，ｈ，ｎとｙ方向に対する回路網ＮＳ，ｖ，ｍとが、出力チャネルＥ及びＦに接続されている実施の形態のどちらか一方の実施の形態が可能である。加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ，ｍに対する抵抗値はそれぞれ、加算回路網Ｏｈ又はＯｖにおいて同じ大きさである。当該加算抵抗の値は、１ｋΩと１００ｋΩとの間に存在し得る。この場合、加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ，ｍは、生成された光電流がＳｉＰＭダイオードによって著しく影響されないが、マイクロセルのクエンチ挙動に影響しないように十分に小さい程度の大きさにする必要がある。加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ，ｍは、回路網ＮＳ，ｈ又はＮＳ，ｖによって一緒にされる。したがって、当該複数の信号が加算される。
【００４５】
加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖが、演算増幅器ＯＰｈ及びＯＰｖを有し得る。当該、演算増幅器ＯＰｈ及びＯＰｖは、接地されていて、抵抗ＲＳ，ｈ又はＲＳ，ｖによる負帰還部を有する。出力チャネルＥ及びＦの信号の増幅率が、ＲＳ，ｈ／ＲＳ，ｈ，ｎ又はＲＳ，ｖ／ＲＳ，ｖ，ｍの比によって調整され得る。加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖは、センサチップに組み込まれてもよいし、又は、加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖのそれぞれのうちの少なくとも一部が、当該センサチップの外部に有益に存在してもよい。
【００４６】
全ての加算回路網Ｏｈ及び／又はＯｖが、センサチップの外部に存在する場合、全ての回路網ＮＳ，ｈ，ｎ及び／又はＮＳ，ｖ，ｍが、当該センサチップから引き出される。その結果、非常に多数の出力チャネルが引き出される。加算抵抗ＲＳ，ｈ，ｎ及び／又はＲＳ，ｖ，ｍが、センサチップ内に組み込まれている場合、回路網ＮＳ，ｈ及び／又はＮＳ，ｖだけが、当該センサチップから引き出される必要がある。これは、１つの出力チャネルによって実現され得る。
【００４７】
しかしながら、スペースの節約の理由から、及びノイズの影響を減少させるため、完全な加算回路網Ｏｈ又はＯｖを当該チップ内に組み込むことが有益である。
【００４８】
回路網ＮＳ，ｈ，ｎ及びＮＳ，ｖ，ｍに対する電位はそれぞれ、可能な限り正確に二次分布されなければならない。このことは、２次のモーメントを取得するために必要である。この場合、別の複数の抵抗を設けつつ、これらの追加の抵抗が光電流分布を変化させることなしに、当該回路網の電圧の二次符号化を分圧器によって可能にするという可能性がある。可能な限りスペースを節約してチップを組み込むためには、追加の抵抗を使用するのではなくて、同様に電圧を調整するために、符号化抵抗を選択することが望ましい。第１の実施の形態における分流器Ｓｑ，ｎｍの抵抗、又は、第２の実施の形態における分流器Ｓｎｍの抵抗が、符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，１及びＲｈ，Ｂ，１…Ｒｈ，Ａ，Ｎ及びＲｈ，Ｂ，Ｎ又は抵抗Ｒｖ，Ｃ，１及びＲｖ，Ｄ，１…Ｒｖ，Ｃ，Ｍ及びＲｖ，Ｄ，Ｍと一緒に１つの分圧器を構成する。符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，ｎ及びＲｈ，Ｂ，ｎ又はＲｖ，Ｃ，ｍ及びＲｖ，Ｄ，ｍが、１つの分流器を構成するので、１つの分流器の全抵抗が、式（Ｒｈ，Ａ，ｎ＊Ｒｈ，Ｂ，Ｎ）／（Ｒｈ，Ａ，ｎ＋Ｒｈ，Ｂ，Ｎ）又は（Ｒｖ，Ｃ，ｍ＊Ｒｖ，Ｄ，ｍ）／（Ｒｖ，Ｃ，ｍ＋Ｒｖ，Ｄ，ｍ）にしたがって算出される。一般には１０Ω〜１ｋΩの範囲内にある符号化抵抗が、出力チャネルＡ及びＢ又はＣ及びＤに対して正反対に線形に増大し減少するように選択されると、分流器Ｓｈ，ｎ又はＳｖ，ｍの全ての二次抵抗値、すなわち二次的に推移する必要な電位分布が、回路網ＮＳ，ｖ，ｍに及び／又はＮＳ，ｈ，ｎ内に自動的に発生する。同時に、線形符号化が、光電流に対して与えられている。当該それぞれ２つの読み取りチャネルの複数の符号化抵抗が、線形に増大し減少し、それぞれの方向の線形の推移の最大値及び最小値、すなわち開始値及び終了値が等しく選択されていることが重要である。数学的に表すと、Ｒｈ，Ａ，ｎ＝Ｒｍｉｎ＋（ｎ−１）＊ＲＳｃｈｒｉｔｔ，Ｒｈ，Ｂ，Ｎ＝Ｒｍａｘ−（ｎ−１）＊ＲＳｃｈｒｉｔｔ，Ｒｈ，Ａ，Ｎ＝Ｒｍａｘ及びＲｈ，Ｂ，Ｎ＝Ｒｍｉｎ又はＲｖ，Ｃ，ｍ＝Ｒｍｉｎ＋（ｍ−１）＊ＲＳｃｈｒｉｔｔ，Ｒｖ，Ｄ，ｍ＝Ｒｍａｘ−（ｍ−１）＊ＲＳｃｈｒｉｔｔ，Ｒｖ，Ｃ，Ｍ＝Ｒｍａｘ及びＲｖ，Ｄ，Ｍ＝Ｒｍｉｎが成立する。
【００４９】
回路網ＮＳ，ｈ，ｎとＮＳ，ｖ，ｍとに対する電位Φ（ＮＳ，ｈ，ｎ）又はΦ（ＮＳ，ｖ，ｍ）は、対応する追加の抵抗によって又は変更した符号化抵抗によって正確な二次符号化と異なってもよい。この場合、（Φ２ｎ）ｋ、ｎ＝１，２，３…及び０．５＜ｋ＜１．５が、発生する電位符号化に対して成立する必要がある。
【００５０】
図示されている機能は、本発明にしたがって少なくとも部分的に、しかしながら特に完全にセンサチップ内に組み込まれている。このため、例えばＣ−ＭＯＳ方法又はＲＧＢ−ＳｉＰＭ、ＲＳＢ−ＨＤ−ＳｉＭＰ若しくはＮＵＶ−ＳｉＭＰのような特別なＳｉＰＭ製造方法のような当業者に既知の半導体処理技術が使用され得る。特にセンサチップ内への加算回路網Ｏｖ又はＯｈの組み込みには、スペースの節約の他に、信号妨害が最小限にされ、ＳＮ比が最適化されるという利点がある。
【００５１】
本発明のセンサチップは、ブロックａ×ｂに対して格子状に配置され得る。この場合、線形位置符号化（一次位置符号化）と電位の二次符号化とが、センサに波及するように複数のセンサチップにわたって方向ａと方向ｂとに延在する。
【００５２】
同様に、個々のセンサチップを任意のｘｙサイズのＪ（ｊ＝１，…Ｊ）個のブロックに分割することが可能である。この場合、位置符号化、電位符号化及び加算回路網がそれぞれ、センサチップの専ら個々のブロックにわたって延在する。この場合、１つのブロックが、同様に図１に示されている１つのセンサチップのように構成されている。Ｊ個のブロックを有するこの実施の形態では、このセンサチップは、それぞれのブロックｊに対して出力チャネルＡｊ、Ｂｊ、Ｃｊ及びＤｊ並びにＥｊ及び／又はＦｊを有する。この実施の形態には、光を感知しない中間空間を複数のブロック間に設けることなしに、これらのブロックが、１つのセンサチップ内に組み込まれ得るという利点がある。
【００５３】
以下に、本発明を図面に基づいて説明する。しかしながら、当該説明は、限定的に解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施の形態におけるセンサチップを示す。
【図２】第２の実施の形態におけるセンサの１つのピクセルを示す。
【図３】単結晶中の深さ方向の相互作用位置に依存する光分布の図である。
【図４】位置符号化チャネルの出力信号を示す。
【図５】加算回路網の出力電圧を示す。
【図６】深さ方向の相互作用位置に依存する加算回路網の出力電圧を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
図１には、本発明のセンサチップの構成要素が示されている。基準電圧Ｖｒｅｆに接続されているフォトダイオードＤ１１…Ｄ１Ｍ、Ｄ２１…Ｄ２Ｍ…ＤＮ１…ＤＮＭが示される。クエンチ抵抗Ｒｑ，１１，ｈ及びＲｑ，１１，ｖ…Ｒｑ，１Ｍ，ｈ及びＲｑ，１Ｍ，ｖ，Ｒｑ，２１，ｈ及びＲｑ，２１，ｖ…Ｒｑ，２Ｍ，ｈ及びＲｑ，２Ｍ，ｖ，Ｒｑ，Ｎ１，ｈ及びＲｑ，Ｎ１，ｖ…Ｒｑ，ＮＭ，ｈ及びＲｑ，ＮＭ，ｖを有する分流器Ｓｑ，ｎｍが、これらのフォトダイオードＤ１１…Ｄ１Ｍ、Ｄ２１…Ｄ２Ｍ…ＤＮ１…ＤＮＭから出力回路網ＮＤ，ｎｍを介して分岐している。これらのクエンチ抵抗Ｒｑ，１１，ｈ及びＲｑ，１１，ｖ…Ｒｑ，１Ｍ，ｈ及びＲｑ，１Ｍ，ｖ，Ｒｑ，２１，ｈ及びＲｑ，２１，ｖ…Ｒｑ，２Ｍ，ｈ及びＲｑ，２Ｍ，ｖ，Ｒｑ，Ｎ１，ｈ及びＲｑ，Ｎ１，ｖ…Ｒｑ，ＮＭ，ｈ及びＲｑ，ＮＭ，ｖは、回路網ＮＳ，ｈ，１…ＮＳ，ｈ，Ｎ又はＮＳ，ｖ，１…ＮＳ，ｖ，Ｍを介して、出力チャネルＡ及びＢにつながっている符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，１及びＲｈ，Ｂ，１…Ｒｈ，Ａ，Ｎ及びＲｈ，Ｂ，Ｎを有する別の分流器Ｓｈ，ｎｍと、出力チャネルＣ及びＤにつながっている符号化抵抗Ｒｖ，Ｃ，１及びＲｖ，Ｄ，１…Ｒｖ，Ｃ，Ｍ及びＲｖ，Ｄ，Ｍを有する別の分流器Ｓｖ，ｎｍとに接続されている。これらの回路網ＮＳ，ｈ，１…ＮＳ，ｈ，Ｎ又はＮＳ，ｖ，１…ＮＳ，ｖ，Ｍは、接地された１つ又は２つの演算増幅器ＯＰｈ及びＯＰｖの加算抵抗ＲＳ，ｈ，１…ＲＳ，ｈ，Ｎ又はＲＳ，ｖ，１…ＲＳ，ｖ，Ｍに接続されている。これらの演算増幅器ＯＰｈ及びＯＰｖが、演算増幅器の抵抗ＮＳ，ｈ及びＲＳ，ｖを介して負帰還されている。さらに、図１には、複数の点によって示されたその他の複数のフォトダイオードと、複数のクエンチ抵抗を有する複数の分流器とが、センサチップ上に格子状に配置されていて、その他の回路網ＮＳ，ｈ，２及びＮＳ，ｖ，２，ＮＳ，ｈ，３等と加算回路網Ｏｈ及びＯｖに向かって付設されていることが示されている。これらのクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，ｈ又はＲｑ，ｎｍ，ｖが、符号化抵抗Ｒｈ，Ａ，１及びＲｈ，Ｂ，１…Ｒｈ，Ａ，Ｎ及びＲｈ，Ｂ，Ｎ又はＲｖ，Ｃ，１及びＲｖ，Ｄ，１…Ｒｖ，Ｃ，Ｍ及びＲｖ，Ｄ，Ｍと一緒に分圧器を構成している。その結果、二次符号化された電位が、これらの抵抗を適切に選択することによって回路網ＮＳ，ｈ，１…ＮＳ，ｈ，Ｎ又はＮＳ，ｖ，１…ＮＳ，ｖ，Ｍ内で発生する。
【００５６】
図２は、第２の実施の形態のセンサチップの１つのピクセルを示す。符号Ｄｎｍ，１…，Ｄｎｍ，Ｋが、１つのピクセルに属する複数のフォトダイオードに付記されている。付随するそれぞれのクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，１…Ｒｑ，ｎｍ，Ｋにつながっている回路網ＮＤ，ｎｍ，１…ＮＤ，ｎｍｋが、これらのフォトダイオードに接続されている。１つの分流器Ｓｎｍにつながっている１つの回路網ＮＩ，ｎｍが、これらのクエンチ抵抗Ｒｑ，ｎｍ，１…Ｒｑ，ｎｍ，Ｋから分岐している。全ての略記号中の添え字Ｋは、１つの分流器Ｓｎｍに割り当てられるマイクロセルの数を意味する。この分流器Ｓｎｍは、図中に示されなかった回路網ＮＳ，ｖ，ｍ又はＮＳ，ｈ，ｎにつながっている抵抗Ｒｎｍ，ｖ及びＲｎｍ，ｈを含む。
【００５７】
図３は、任意の軸を代表するｘ軸に対するシンチレーション過程の光子の分布を単結晶中の回転対称な分布に基づいて示す。当該分布の場合、ｘ座標が、位置零［ｍｍ］を中心とした光分布を記す。縦座標が、光子の数を絶対数として示す。記号である点、正方形、菱形、上方に先細りする三角形及び下方に先細りする三角形によって示された曲線が、シンチレーション結晶中のγ量子の侵入深さに依存する当該光分布を示す。これらの記号は、シンチレーション単結晶中のβ＋β−消滅放射線の以下の侵入深さに相当する：
点：                      ９ｍｍ
四角形：                  ７ｍｍ
菱形：                    ５ｍｍ
上方に先細りする三角形：  ３ｍｍ
下方に先細りする三角形：  １ｍｍ
【００５８】
図４は、チャネルＡ及びＢによって代表して示された位置符号化チャネルの出力信号を示す。ｘ座標が、時間を秒の単位で示す。縦座標が、これらのチャネルＡ及びＢの出力電流を［Ａ］の単位で示す。０〜１０μ秒の時系列内では、１つのｘ位置の複数のフォトダイオードが、５０ｎ秒間ごとに作動する。５０ｎ秒の中断が、１つのマイクロセルの作動後に続く。このマイクロセルの中断後に、ｘ方向に後続する次のマイクロセルが作動される。当該図は、チャネルＡ及びＢによる１つのマイクロセルの分布を示す。それぞれのｘ位置に対する挙動が異なるので、それぞれ１つのマイクロセルの位置が、当該両出力チャネルによって特定され得る。
【００５９】
図５は、チャネルＥ及びＦの演算増幅器の出力電圧を示す。ｘ座標が、時間を秒の単位で示す。縦座標が、チャネルＥ及びＦの出力電圧を［Ｖ］の単位で示す。０〜１０μ秒の時系列内では、１つのｘ位置又はｙ位置の複数のフォトダイオードが、５０ｎ秒間ごとに作動する。５０ｎ秒の中断が、１つのマイクロセルの作動後に続く。このマイクロセルの中断後に、ｘ方向又はｙ方向に後続する次のマイクロセルが作動される。当該図は、チャネルＥ及びＦによる１つのマイクロセルのｘ位置又はｙ位置に依存する当該電圧の二次分布を示す。この場合、１の増幅率が、対応する複数の抵抗によって当該複数の加算増幅器に対して設定される。
【００６０】
図６は、シンチレーション単結晶のｘｙ中心の深さ方向の相互作用位置に依存する加算回路網の出力電圧を示す。ｘ座標が、深さ方向の相互作用位置を［ｍｍ］の単位で示す。縦座標が、加算回路網の出力信号を任意単位で示す。当該結晶のｘｙ中心の深さ方向の相互作用位置が、回路網信号によって算定され得る。何故なら、当該深さ方向の相互作用位置では、１次のモーメントが零に等しく、それ故に、当該深さ方向の相互作用位置が、２次のモーメントだけによって算定され得るからである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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